基于APPI指数系统的旱作农田面源污染发生潜力及优先控制区识别以沙颍河流域为例

独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获捌奄忽身弧他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。黼鲐钠鑫学位论文版权使用授权书日本学位论文作者完全了辟膨关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权玄绪啦葫以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权书学位论文作者签名签字日期乃L学位论文作者毕业去向工作单位通讯地址导师签名电话邮编毛A几摘要淮河作为我国五大江河之一，水质污染较为严重，国务院将其列为重点治理的“三河三湖”的首要位置。近年来治理淮河的力度不断加大，点源污染得到有效治理，淮河干流的水质稍有好转。但由于流域内非点源污染特别是农业非点源污染较为严重，淮河流域水污染严重的情形并没有因此得到彻底改善。而在淮河众多支流中，沙颍河是淮河水系污染最为严重的一级大支流，其水污染对淮河干流水质冲击较大。沙颍河流域是淮河流域的重要源头区之一，也是淮河流域经济快速发展、人口密度大、农业生产及畜禽养殖相对集中区域，且处于淮河流域粮食核心区的中心地带。该区工业污染相对较小，农业非点源是主要的污染来源。本论文依托国家科技攻关重大水专项水体污染控制与治理科技重大专项一“沙颍河流域旱作农田面源污染发生潜力及优先控制区识别”子课题，以沙颍河流域典型农业区域一河南省西华县为研究对象，以GIS为平台，利用已建立的农业非点源污染发生潜力指数系统APPI，选取自然条件的径流指数和泥沙流失指数、人为条件的化肥指数和人畜排放指数作为评价因子。通过实地考察及基础资料的搜集，运用MAPINFO进行图层矢量化并建立空间信息系统，对四个指数进行编程计算，并将其标准化。对各个指数赋予相应的权重后计算而得到APPI指数，分析研究区内45个行政村的农业非点源污染潜力和污染负荷的空间分布，识别优先控制区和优先控制因子，计算各行政村单位面积氮磷负荷强度以及总负荷，确定污染负荷来源类型；采集沙颖河子流域水样，对流域内河流主要污染物来源及分布特征进行了识别，结合定量化评价非点源污染的手段，筛选出影响非点源污染发生主控因子；并通过现场监测研究区主要纳污水体的氮、磷含量对模型进行半定量验证。结果显示，研究区内，大杨庄、张庄和前集是非点源污染发生的高风险区域和优先控制区域。APPI指数，单位面积氮、磷污染负荷和总污染负荷位均居所有行政村的前3位，畜禽养殖是造成这3个村污染的首要原因。研究区主要污染因子为氮，主要污染源为农田养分流失，其次为畜禽养殖，分别占总污染负荷的52和40；贾鲁河水体NH3N、P04P、TN、TP、COD等浓度均高于沙河、颍河。说明在沙颍河水系中，贾鲁河对沙颍河的水污染指标贡献率最高，是主要污染源；各采样点TN含量全面超过2MGLV类水标准。沙颍河流域主要污染因子为TN，其次为TP和COD，重金属含量及有机物含量符合相关标准；通过现场监测研究区主要纳污河流的TN、TP对模型进行验证，结果表明研究区TN、TP整体趋势与APPI值具有较好的一致性。负荷关键词沙颍河流域；农业非点源污染；地理信息系统；APPI模型；污染IIABSTRACTHUAIHERIVERASONEOFTHEFIVELARGESTRIVERSINCHINA,WASPOLLUTEDSERIOUSLYHUAIHERIVERISONEOFTHETHREERIVERSANDTHREELAKES“,WHICHOURCOUNTRYDOKEYHARMASSMENTONITCURRENTLY，CHINAHASENHANCEDTHEPOWEROFTREATMENTOFHUAIHERIVER,POINTSOURCEPOLLUTIONHASBEENEFFECTIVELYCONTROLLED，WATERQUALITYOFHUAIHERIVERHASBEENSLIGHTLYBETTERHOWEVER,DUETOTHENONPOINTSOURCEPOLLUTION，ESPECIALLYAGRICULTURALNONPOINTSOURCEPOLLUTIONINTHEWATERSHEDISSERIOUS，THEWATERQUALITYINTHEHUAIHERIVERBASINHASNOTBEENCOMPLETELYRESOLVEDSHAYINGRIVERISALARGETRIBUTARYOFTHEHUAIHERIVERWHICHISPOLLUTEDMOSTSERIOUSLYINTHETRIBUTARIESOFTHEHUAIHERIVERITSWATERPOLLUTIONHASALARGERIMPACTONWATERQUALITYOFHUAIHERIVERSHAYINGRIVERISONEOFTHEIMPORTANTSOURCEAREAOFTHEHUAIHERIVERBASIN，ECONOMICDEVELOPMENTISFAST，POPULATIONDENSITY,AGRICULTURALPRODUCTIONANDLIVESTOCKBREEDINGISCENTRALIZEDINTHISWATERSHEDINTHEHEARTOFTHETHEGRAINCULTIVATIONCOREAREAOFTHEHUAIHERIVERBASININDUSTRIALPOLLUTIONINTHEAREAISNOTSERIOUS，AGRICULTURALNONPOINTSOURCEISAMAJORSOURCEOFPOLLUTIONTHISPAPERRELIESONTHEANALYSISONCHARACTERISTICSANDEVALUATIONOFAGRICULTURALNONPOINTSOURCEPOLLUTIONPOTENTIALANDINTYPICALDRYFARMLANDAREAOFSHAYINRIVERCATCHMENTWHICHISTHESUBTOPICSOF一“WATERPOLLUTIONCONTROLANDHAMESSINGOFTHEMAJORPROJEETSCUSTOMISEDRESEARCHWHICHISATTRIBUTABLETOTHENATIONAL“ELEVENTHFIVEYEARPLAN“,TAKEXIHUACOUNTYASRESEARCHSUBJECTS，TAKEGISASPLATFORM，USETHEESTABLISHEDAPPIMODEL，SELECTRUNOFFINDEX，SEDIMENTPRODUCTIONINDEX，CHEMICALUSEINDEXANDCHEMICALUSEINDEXASEVALUATIONFACTORS，THROUGHSITEVISITSANDCOLLECTBASICINFORMATION，USEMAPINFOTOVECTORIZEDLAYERSANDESTABLISHASPMIALINFORMATIONSYSTEMPROGRAMMINGCALCULATION，ANDSTANDARDIZATIONOFTHEFOURINDICESCORRESPONDINGWEIGHTASSIGNEDTOEACHINDEX，ANDCALCULATEAPPIINDEXTHELOADANDITSPOTENTIALINDEXOFTHEAGRICULTURALNONPOINTSOURCENPSPOLLUTIONINHUANGQIAOTOWNANDXIXIATINGTOWNOFXIHUAIIICOUNTYWERESTUDIEDANDPRIORITYCONTROLAREASANDORITYCONTROLFACTORWEREIDENTIFIED，UNITAREAOFNITROGEN,PHOSPHORUSANDTOTALLOADDISTRIBUTIONOFEACHADMINISTRATIVEVILLAGEWERECALCULATEDTHEDIFFERENTTYPESOFPOLLUTIONLOADANDPRIMARYSOURCEWEREIDENTIFIEDCOLLECTINGFIVERWATERSAMPLESATSHAYINRIVERCATCHMENT，IDENTIFYTHEMAJORPOLLUTANTSOURCESANDDISTRIBUTIONCHARACTERISTICSCOMBINEDWITHAMEANSOFQUANTITATIVEEVALUATIONOFNONPOINTSOURCEPOLLUTIONSCREENINGMASTERFACTORINTHEIMPACTOFNONPOINTSOURCEPOLLUTIONANDVERIFYTHEMODELBYSEMIQUANTITATIVETHROUGHSITEMONITORINGNITROGEN，PHOSPHORUSCONTENTOFTHEMAINLYSATISFIEDSEWAGETHERESULTSSHOWEDTHATTHECRITICALAREASIDENTIFIEDFORNPSCONTROLINTHESTUDYAREAAREDAYANGZHUANG，ZHANGZHUANGANDQIANJI，WHERETHEAPPIISTHETOPTHREE，THEAVERAGELOADANDTHETOTALLOADOFPOLLUTIONARETHETOPTHREETOO，THEMAINCAUSETOPOLLUTEISLIVESTOCKANDPOULTRYMATINGTHEMAINPOLLUTIONFACTORINTHESTUDYAREAISNITROGEN；THEMAINPOLLUTIONSOURCEISTHENITROGENANDPHOSPHORUSPOLLUTIONDISCHARGEDFROMFIELDS，FOLLOWEDBYTHENITROGENANDPHOSPHORUSPOLLUTIONFROMLIVESTOCK，丽LTHECONTRIBUTIONRATESOF52AND40，RESPECTIVELY；THENH3NANDP04PTN，TP,CODCONCENTRATIONOFTHEGARRORIVERAREHIGHERTHANSHAHEANDYINGRIVERSHOWSTHATGARRORIVERISTHEMAINSOURCEOFPOLLUTIONINSHAYINGRIVERBASINTHETNCONTENTOFEACHSAMPLINGPOINTISCOMPREHENSIVETHAN2MGLTHEMAJORPOLLUTIONFACTOROFSHAYINGRIVERBASINISTN，FOLLOWEDBYTPANDCODTHEHEAVYMETALCONTENTANDORGANICCONTENTCOMPLYWITLLTHERELEVANTSTANDARDSTHETN，TPOVERALLTRENDOFMAINLYSATISFIEDSEWAGEHASAGOODAGREEMENTWITHTHEAPPIINDEXSHAYINGRIVERCATCHMENT；AGRICULTURALNONPO硫SOURCEPOLLUTION；GEOGRAPHICALINFORMATIONSYSTEM；APPIMODEL；POLLUTIONLOADIVTPTNNH4N“N03NP04PCODSSSPICUIPALIGISAPPI缩略语索引总磷总氮氨氮硝氮正磷酸盐化学需氧量悬浮颗粒物径流指数泥沙产生指数化肥使用指数人畜排放指数地理信息系统农业非点源污染发生潜力模型V目录摘要IABSTRACTIII缩略语索引。V第一章综述111研究背景1111非点源污染概述1112淮河水污染概况212非点源污染国内外研究现状3121非点源污染国内外研究现状概述3122农业非点源污染发生潜力模型APPI研究现状513选题范围及选题依据6131选题范围6132选题依据614论文研究目的、内容和技术路线7141研究目的7142主要研究内容8143技术路线9第二章研究区概况N21西华县概况11211地理位置及地质地貌11212气象气候11213降水及水文LL22西夏亭镇及黄桥乡概况12第三章APPI模型的计算及应用1431APPI模型机理1432APPI模型实施方案1433空间数据库的建立16331基础数据的收集16332图形的处理和编辑1634主要矢量图层的形成1735RI、SPI、PALL及CUI指数计算19351径流指数砌的计算L9352泥沙流失量指数SPI的计算21353化肥使用量指数CUI的计算24354人畜排放指数PALL的计算。2636现场实验田构建及监测结论一2937非点源污染发生潜力指数APPI的计算一3138各区域非点源污染负荷及分配情况估算33第四章面源污染特征调查及纳污河流监测3941面源污染特征调查404I1采样点位的设置及样品的采集40412面源污染特征调查结果4L42现场纳污河流的监测一44第五章结论及建议4651主要研究结论一4652存在的问题及发展趋势。47参考文献49致谢。55在读期间发表的文章和参与的项目56第一章综述第一章综述11研究背景111非点源污染概述近年来，随着社会经济水平的不断发展，人民生活水平稳步提升，但粗放型为主的增长方式也不可避免的破坏了人类赖以生存的环境，特别是以富营养化污染为主要表现形式的水体污染日益严重。水体环境污染源按排放方式可分为污染物通过排水管道等途径随废水直接进入到受纳水体的点污染源、溶解的或固体污染物从非特定的地点随暴雨生成的径流进入受纳水体的非点污染源即面污染源。非点源污染的主要来源包括农业、森林砍伐、矿业、建筑与城市等几个主要类型。其中，对水体危害最大、污染程度最重的首推农业非点源污染源。化肥、农药的滥用，畜禽粪便的乱排、废弃秸秆及废弃塑料薄膜等农业固废的乱放、农村生活垃圾和污水等的不合理排放【L4】等形成的有机与无机污染物随着降水冲刷、地表灌溉等，通过形成地表径流、农田排水以及地下渗漏等多种形式，进入到附近水体当中，导致水体污染，特别是其中的氮素、磷素对水体富营养化的形成具有重要影响。农业面源污染的主要特征可以概括为具有不固定的发生区域、具有多种排放途径、其排放的污染物具有多样性和不确定性、排放的污染物负荷量分布不均匀，差异性大【5】。据统计，农业面源污染导致的耕地退化面积达到约144亿HM2，占到全世界耕地退化面积的1261；美国的非点源污染也较为严重，占到全国污染问题的23，而农业污染占到非点源污染的75左右，美国的水体污染有60是非点源污染引起71。同样，中国作为传统的农业国家，其非点源污染特别是农业非点源污染也较为严重；河湖的非点源污染问题突出，尤其是国家重点治理的“三河三湖”淮河、海河、辽河和太湖、巢湖、滇池；其他如北京密云水库、天津于桥水库、上海淀山湖及云南洱海等水域，非点源污染问题也较严重，而且其非点源污染所占比例远超点源污染所占比例，见表1【8】基于APPI指数系统的早作农田面源污染发生潜力和优先控制区识别一以沙颍河流域为例表11全国主要湖泊一水库富营养化问题非点源污染的贡献率181TABLEL1NONPOINTSOURCEPOLLUTIONCONTRIBUTIONRATEOFMAJORLAKESRESERVOIRSEUTROPHICATIONPROBLEML8L112淮河水污染概况淮河作为我国五大江河之一，水质污染较为严重，国务院将其列为重点治理的“三河三湖”的首要位置。治理淮河的力度近年来不断加大，点源污染得到有效治理，淮河干流的水质稍有好转。但由于流域内非点源污染特别是农业非点源污染较为严重，淮河流域水污染严重的情形并没有因此得到彻底改善【9，10】。而在淮河众多支流中，沙颍河是淮河水系污染最为严重的一级大支流，而在淮河众多支流中，沙颍河是淮河水系污染最为严重的一级大支流，其水污染对淮河干流水质冲击较大【L11。沙颍河流域是淮河流域的重要源头区之一，该流域经济快速发展、人口密度大、农业生产及畜禽养殖相对集中，且处于淮河流域粮食核心区的中心地带。为保障粮食高产稳产，长期以来化肥、农药等大量粗放使用、利用率低下，氮肥利用率平均在2035，农药利用率2030。2007年河南全省化肥用量折纯57066万T，其中单质氮HE23996万T、化肥施用量平均约为570KGHA，远超发达国家为防止化肥对水体污染而设置的225KGHA安全红线，大量的氮素通过氨挥发和硝态氮流失，最终仍然进入环境水体。因此，在有关城市污染控制和工业污染治理工程及技术体系相对完善的情况下，农业面源污染问题显得尤为突出。但由于面源污染发生机制的复杂性，其污染治理的技术支撑体系与治理目标需求差距较大，尤其是适用于半干旱农业区面源污染控制技术几乎是空白，关于半干旱农业区面源污染控制的研究目前已成为农业面源污染控制研究的重点。第一章综述12非点源污染国内外研究现状121非点源污染国内外研究现状概述农业生产活动具有广泛性和多样性，而农业生产活动中施用的化肥农药、农村畜禽的散养和规模化养殖、农田地膜等固体废弃物和农民生活垃圾等是农业非点源污染的几个主要来源。目前，随着人类对环保的重视，点源污染得到较有成效的控制和缓解，非点源污染特别是农业非点源污染已取代点源污染成为导致水体水质污染的最重要原因，因此，近年来，关于对农业非点源污染的研究得到越来越多人的重视，对农业非点源污染的研究成为一个重点和热点。而农业非点源污染具有不固定的发生区域、具有多种排放途径、其排放的污染物具有多样性和不确定性、排放的污染物负荷量分布不均匀，差异性大等特点，对其开展监测费时费力，且成效甚微，对其进行污染控制和相应的治理难度很大【12。引。这种情况下采用模型进行定量化研究是更为可行和有效的方法，首先节约费用，投入成本较低；其次研究周期短，在较少时间内就可以得到结论；最后模型操作简单易懂。目前，利用数学物理模型结合计算机技术进行非点源污染的时间维度和空间维度空的模拟研究已成为非点源污染负荷的重要研究手段114以5。近些年来，人们对农业面源污染识别和治理能力逐渐增强，在面源污染发生机制、影响因素评价、输运特征及入河贡献、治理控制措施方面，国内外均开展了大量研究并取得了重要进展。建立数学物理模型结合计算机技术进行非点源污染的时间维度和空间维度空的模拟研究已成为流域非点源污染负荷量化评价的最为直接有效的手段和方法。20世纪70年代以来，随着对非点源污染研究的逐渐重视和逐步深入，大量的水环境模型被国内外学者开发应用于水体非点源污染形成及输移转换的时空模拟，人们对非点源污染的产生、迁移转化及去向进行了大量卓有成效的研究。取得了大量的成果，在整个农业面源污染输移模拟模型化过程中，大致可分为三个主要阶段，首先是非点源污染研究早期应用较多的，能够简单的计算流域出口处污染负荷的经验模型；接着发展到能够反映非点源污染产生过程，模拟非点源污染的机理模型。比如模拟城市暴雨径流导致非点源污染的STORM及SWMM模型，用以模拟农业非点源污染的ARM模型，以及模拟流域范围内非点源污染的HSP和ANSWERS模型等；随着人们对非点源污染模型研究的进基于APPI指数系统的旱作农田面源污染发生潜力和优先控制区识别一以沙颍河流域为例一步深入，在综合经验模型和机理模型优势的基础上，协调克服两种模型的缺点，更加系统完善的功能模型成为非点源污染模型研究的热点和重点。该模型可以系统、综合的模拟非点源污染的水文过程、侵蚀过程及污染物迁移转化过程。如奠定非点源模型发展“里程碑”的CREAMS模型，该模型由美国农业部农业研究所开发。它的出现首次实现了对非点源污染的水文过程、侵蚀过程和污染物迁移转化过程的系统综合【L引。其他的主要功能模型有GLEAMS模型、EPIC模型、AGNPS模型、WEPP模型、SWRRB模型及SWAT模型等。正是这些尺度、功能各异的非点源污染模型的相继出现，非点源污染模型的研究才得以快速的发展。目前应用较为广泛的主要包括ANSWERS模型、HSPF模型、GLEAMS模型、AGNPS模型及SWAT模型等。ANSWERSAREALNONPOINTSOURCEWATERSHEDENVIRONMENTRESPONSESIMULATION模型，主要运用于模拟预测次降水条件下的产生的地表径流量、相应的被侵蚀土壤量和流失的主要污染物类型和含量，由土壤侵蚀子模型、水文子模型及化学物质侵蚀子模型等三个主要子模型组成。ANSWERS最初的模型只研究地表水文过程【17】，BEASLEY等人又把侵蚀和泥沙运动等过程加入模型中1821】，DILLAHA等人将模型中的泥沙输移计算进一步改进为不同粒径泥沙颗粒的产沙和输沙过程【冽；近年来，BOURAOUI23埘】、WESBYNE251等又进一步对模型进行了改进和完善。HSPFHYDROLOGICALSIMULATIONPROGRAMFORTRAN模型用以模拟在沉积化学及水动力学共同作用下的路面和土壤污染物径流过程的物理分布；DAHLIANEKADDAH和ALINEECAREY利用该模型模拟和预测了美国阿拉巴马州的CAHALA河流域水文水质情况【26】；邢可霞等利用该模型模拟和预测了滇池流域1988年、1989年的水文水质情况，并对SS、BOD、TN及TP等进行定量计算【2。GLEAMSGROUNDWATERLOADINGEFFECTSOFAGRICULTURALMANAGEMENTSYSTEMS模型用以模拟在连续降雨条件下农田径流、下渗、蒸发蒸腾、水土侵蚀、污染物迁移转化和农药垂直通量28,29】。王吉苹等利用该模型模拟评估我国东南地区农业小流域硝态氮的渗漏淋失，取得较好的结果30,31；AGNPSAGRICULTURALNONPOINTSOURCEPOLLUTION模型，主要应用于模拟预狈TJD,流域尺度下的降水等形成的土壤侵蚀数量、土壤氮磷等养分流失数量和预测评价农业地区水质，并对次暴雨径流形成和侵蚀产沙进行模型研究。陈欣和郭新波【32】利用该模型模拟预测了排溪4第一章综述冲小流域的磷素流失情况，并将预测结果与小流域实际周年观测资料中的土壤磷素流失情形进行对比分析，结果表明预测结果与实际观测结果基本相符，模拟具有一定的科学性；陈国湖33】认为该模型简单实用，对资料要求不高，提出了用遥感技术和GIS为模型输入基本参数的方法；HESSION34J等利用GIS技术和AGNPS模型结合，评价了不同作物管理措施对减少农业非点源污染的作用和效果，为最佳农业管理措旌BMP提供依据；SWATSOILANDWATERASSESSMENTTOOLS模型用以模拟评价流域规模下连续时间的流域水质35,36】连续水量水质及峰值排量；氮、磷、COD、细菌和金属等污染物排放。孙峰，郝芳华眵7】等应用该模型在官厅水库流域和黄河流域下游卢氏流域对流域内径流产生、泥沙流失和氮污染物负荷量进行模拟研究，并在此基础上模拟分析了流域内采用不同管理措施的非点源污染控制效果；万超【38】等应用该模型对潘家口水库流域不同水平年条件下的面源污染负荷量进行了相应计算，并着重分析了农田施肥对于面源污染产生负荷的影响。122农业非点源污染发生潜力模型APPI研究现状传统的模型在对非点源污染进行模拟研究时一般只考虑了降水冲刷，泥沙流失等自然因素的影响，而很少考虑居民排放，农业活动等人为因素的影响，但是人为因素中的农村居民排放，畜禽养殖粪便排放，农业化肥农药等因素对农业非点源污染具有极大的贡献。因此，在农业非点源污染模型的模拟评价研究上就必须要考虑到这些人为因素的影响。另一方面，非点源污染模型验证和参数的确定需要大量实测资料，但目前国内相关的基础资料极其匮乏，而RS技术、GIS技术的出现为此提供了解决问题的有效途径。以利用地理信息系统为技术支持平台，以计算机技术为模拟辅助手段，运用非点源污染数学物理模型计算识别出农业非点源污染发生的优先控制因子和优先控制区。并以此为科学依据和理论支持，将识别出的优控因子和优控区作为农业非点源污染控制和治理的重点，投入人财物进行优先控制和优先治理，以期达到经济高效的控制非点源污染状况、逐步改善水体环境的最终目标【39】。目前，对农业非点源污染按污染程度进行分级管理和对污染源和污染物进行分类控制，已成为农业非点源污染关键源区识别的新方向【401。有鉴于此，郭红岩等针对河网区域建立了农业非点源发生潜力指数系统APPIAGRICULTURALNONPOINTSOURCEPOLLUTION基于APPI指数系统的旱作农田面源污染发生潜力和优先控制区识别一以沙颍河流域为例POTENTIALINDEX41,421。该模型的突出优点在于模型参数设置简洁明了，科学合理，所需基础资料易于搜集，且综合考虑降水冲刷、泥沙流失等自然因素及人畜排放、化肥使用等人为因素对农业非点源污染的贡献。郭红岩等运用该模型研究了太湖流域的一级保护区一武进市雪堰镇在稻季时农业非点源污染的氮磷负荷、主要负荷来源类型及其对附近水体氮磷污染的贡献率43,44】；王宁、周徐海等运用该系统定量估算了江苏宜兴市大浦镇农村非点源氮，磷排放负荷及其主要来源，识别出了优先控制区域【4547】。王小治等运用该系统模拟研究了昆山市11个城镇的非点源污染负荷分布情况及其主要来源类型，并识别出非点源污染优先控制区【481。证明该系统在河网区效果明显。13选题范围及选题依据131选题范围本论文以沙颍河流域典型农业区域河南省西华县为研究对象，采用已建立的农业非点源污染发生潜力的指数评价方法APPIAGRICULTURALNONPOINTSOURCEPOLLUTIONPOTENTIALINDEX，以GIS为平台，以计算机技术为辅助手段，计算出沙颖河流域典型旱作农业区西华县西夏亭镇和黄桥乡45个行政村的农业非点源污染发生潜力指数等级，识别出农业非点源污染程度最严重的优先控制区，并判断出农业非点源污染发生的主要控制因子，计算出研究区农业非点源污染的氮磷负荷量及其分布情况，以期有效的指导农田管理措施，为有效控制和治理沙颍河流域农业面源污染提供科学依据和理论支持。132选题依据1学术价值目前，随着人类对环保的重视，点源污染得到较有成效的控制和缓解，非点源污染已取代点源污染成为导致水体水质污染的最重要原因。而农业非点源污染又是其中最主要的，程度最重的污染类型。农业非点源污染不仅污染人类饮用水源，还破坏水体生态环境，导致水体富营养化。因此对非点源污染尤其是农业非点源污染的研究十分重要的意义。然而农业非点源污染具有不固定的发生区域、具有多种排放途径、其排放的污染物具有多样性和不确定性、排放的污染物负荷量分布不均匀，差异性大等特点，对其开展监测费时费力，且成第一章综述效甚微，对其进行污染控制和相应的治理难度很大。采用模型进行定量化研究无疑是更为可行和有效的方法，首先节约费用，投入成本较低；其次研究周期短，在较少时间内就可以得到结论；最后模型操作简单易懂。目前，利用数学物理模型结合计算机技术进行非点源污染的时间维度和空间维度空的模拟研究已成为非点源污染负荷的重要研究手段。本文利用己建立的农业非点源污染发生潜力指数系统模拟研究了西华县西夏亭镇和黄桥乡45个行政村的农业非点源污染发生潜力指数等级、氮磷污染负荷分布情况及其主要来源类型，并识别出了非点源污染优先控制区及优先控制因子。为该流域的农业非点源污染研究提供参考借鉴。本研究首次将该指数系统应用与位于沙颍河流域的中国最主要的产粮区之一的农业大省河南省。2应用价值沙颍河是淮河水系污染最为严重的一级大支流，而在淮河众多支流中，沙颍河是淮河水系污染最为严重的一级大支流，其水污染对淮河干流水质冲击较大。流域内非点源污染特别是农业非点源污染较为严重。沙颍河流域的水体污染特别是农业非点源污染能否得到有效控制将直接影响到淮河治理的成败，流域内总氮含量常年严重超标，水体富营养化较为严重，其水体污染已逐渐引起人们关注。本研究以利用地理信息系统为技术支持平台，以计算机技术为模拟辅助手段，综合考虑降水冲刷、泥沙流失等自然因素及人畜排放、化肥使用等人为因素对农业非点源污染的贡献，运用非点源污染数学物理模型计算识别出农业非点源污染发生的优先控制因子和优先控制区。并以此为科学依据和理论支持，将识别出的优控因子和优控区作为农业非点源污染控制和治理的重点，投入人财物进行优先控制和优先治理。对流域非点源污染特别是农业非点源污染的经济高效的控制及水体水质状况的逐步改善都有重要意义。14论文研究目的、内容和技术路线141研究目的选择贾鲁河和沙河、颍河典型农业区域，调查农田化肥、农药施用量及其类型，辨识土壤、地表、地下水体中主要污染物来源、类型、形态及时空分布特征，筛选出主要污染因子。综合考虑典型区域降水、土壤类型、地表径流、土地利用类型、人畜排放、化肥农药施用情况等自然及人为影响因素，利用已基于APPI指数系统的早作农田面源污染发生潜力和优先控制区识别一以沙颍河流域为例建立的农业面源污染发生潜力评价指数AGRICULTURENONPOINTSOURCEPOLLUTIONPREDICTIONINDEX，APPI模型，计算出农业非点源污染发生潜力指数等级、氮磷污染负荷分布情况及其主要来源类型，识别出非点源污染优先控制区及优先控制因子；并以此为科学依据和理论支持，将识别出的优控因子和优控区作为农业非点源污染控制和治理的重点，投入人财物进行优先控制和优先治理，以期达到经济高效的控制非点源污染状况、逐步改善水体环境的目标。142主要研究内容1农业非点源污染发生潜力研究对农业面源污染的结构特征进行指数化和矢量化研究。通过前期对拟研究区域降雨量、土壤类型、地表特征、耕作特点、人口密度等的调查，并结合现场实验测定污染物浓度、泥沙流失指数、土壤吸附常数、污染物淋失及流失指数等，研究土壤类型和化肥利用率关系、化肥使用量时空分布特征、人畜混居区废弃物排放分析、养殖场排放分析等，确定符合该流域特点的包括径流指数、泥沙流失指数SPI、化肥使用量指数CUI、人畜排放量指数PALI等在内的关键指数，最终形成农业面源污染发生潜力的矢量空间分布图。2现场试验田建设及主要内容为了获取面源流失规律的监测以及相关实验数据，为面源流失潜力分析以及面源污染优先控制区的识别提供依据。经多处比较，2010年89月在黄桥乡裴桥村建设了现场试验田径流收集池、渗流收集器、围隔等，试验站通过围挡形成相对封闭的集水区域，建有完善的沟渠排水系统和集水设施，能够有效收集地表径流和垂向入渗水。试验站有专人值守，现场记录降雨的时间及降雨量。负责雨水及其形成的相应的地表径流的采集工作，并对现场试验田进行日常维护。降雨后将现场水样带回测定。测定项目为SS、COD、TN、TP等。3农业面源污染优先控制区识别通过收集研究区内水文水系、土壤类型、高程及土地利用现状、人口及畜禽养殖、农田面积、化肥施用等历史观测数据、统计分析数据、遥感监测数据，建立流域内面源污染影响因子的空间和属性数据库。利用地理信息系统的缓冲区分析、空间插值分析、空间叠加分析、坡度坡长分析等方法分别生成流域内非点源污染各影响因子的空间分布图，再通过栅格地图的图层切割、叠加代数第一章综述运算，形成研究区APPI指数空间分布图。针对筛选出的面源污染主要因子，通过对APPI指数空间分布图进行分析，识别出农业非点源污染最严重的优先控制区，并判断出农业非点源污染发生的主要控制因素，为有效控制沙颍河流域农业面源污染提供科学依据。4面源污染物类型、来源以及贡献率调查研究调查研究水体中主要污染物包括地表水环境质量标准中的各项指标及持久性有机污染物、农药、抗生素等的类型、浓度、来源及分布特征；调查研究面源污染物对河流污染负荷的贡献大小；通过对水体中主要污染物类型、负荷和结构特征调查，弄清河流面源污染现状，筛选出应加以优先控制的主要面源污染物并与APPI模型计算所得结论进行对比验证。5研究区主要纳污河流现场监测通过对研究区沙河，颖河进行采样监测，了解研究区主要水体的氮磷背景值。经过两个镇现场勘测得知，沙河、颍河都具有较高的河堤，污染物很难直接汇入。西夏亭镇的污染物主要经过农业网渠等先进入重建沟，最终汇入颍河；黄桥乡的污染物主要经过农业网渠先进入东风运河，最终汇入贾鲁河。因此，重建沟及东风运河作为两个镇的主要纳污河流，研究区为典型的农业区域，境内基本无工业生产，主要污染源为农业非点源污染源。通过对西夏亭镇及黄桥乡主要纳污河流重建沟，东风运河进行沿村布点采样，重点考虑非点源污染发生高风险行政村区域水体。将其监测结果与农业非点源污染发生潜力模型所得结论进行比对研究，半定量验证该模型的准确性及科学性。143技术路线本研究主要分为APPI模型及现场监测验证两大块内容，以APPI模型为主线，以现场监测验证为副线，技术路线图如图11所示9基于APPI指数系统的早作农田面源污染发生潜力和优先控制区识别一以沙颍河流域为例图11技术路线FIG11RESEACHROUT本研究主要分为两大部分第一部分为利用己建立的农业非点源污染发生潜力指数系统APPI模型识别研究区优先控制区和优先控制因子，并分析氮磷污染负荷分布情况；第二部分为通过研究区面源污染特征调查及现场主要纳污河流的监测进行模型的半定量验证。10第二章研究区概况第二章研究区概况21西华县概况211地理位置及地质地貌西华县位于北纬33。367至33。597、东经114。057至114。637之间，地处豫东平原，县辖面积10949平方公里。西华南靠沙河，颖河和贾鲁河贯穿其中。西部位于沙颖河冲积扇东部边缘，东部为黄河冲积扇西部边缘。但由于近代河流多次泛滥，冲积沉积，致使局部地面稍有起伏，整个地形为大平小不平。县境内，西北略高于东南，海拔高程在4857米，相对高差10米左右，坡降15000至16000之间。212气象气候根据全国气候区域划分和县内气象资料统计，西华县为半湿润地区暖温带季风气候，由于太阳辐射与季风环流的影响，其特点是四季分明，光照充足，冬季干冷少雪，夏季炎热多雨，春季温暖时间短，但因水热分配不均容易产生旱涝灾害。西华县平均日照时数为231854小时，年日照率为51。一年之内，1月份气温最低，平均01冬季不太寒冷，有利于秋冬农作物安全越冬。7月份温度最高，平均272。C，有利于春、夏播作物发育生长。西华极端最低气温21极端最高气温429。C。温差幅度639。C。通过IO。C的年平均初日为4月1日，终日为11月4日，平均间隔217天。西华属季风气候，56月份西南风频率最高，其它月份东北频率较大。全年最多风是东北风，频率为17，次多风是西南风，频率为12。年平均风速为332米秒，各月平均风速在2836米秒之间。各风向间年平均风速最大的是东北风向，约为4851米秒。极端最大风速为20米秒。213降水及水文1、降水县内历年平均水量750毫米。据27年气象资料统计年降水量在600至900毫米之间的正常年份有18年，占447；年降水量不足600毫米的年份有15年，占185；各降水量超过900毫米的年份有4年，占148。总的看来，降水年际变化大致3至5年为一个由少到多或由多到少的变化规律。但由于受季风气候的基于APPI指数系统的旱作农田面源污染发生潜力和优先控制区识别一以沙颍河流域为例影响，冬季降水分布悬殊较大，全年以夏季68月雨水较为集中，平均为3874毫米，占年降水量的52，最多年份达669毫米，占年降水量的70。冬季12月翌年2月最少，平均降水量449毫米，还不到全年降水量的L。历年各月平均降水量的变化，一年中以7月份的雨量最大，8月份次之，12月份雨量小。一般进入4月份以后，雨水开始明显增多，以后逐渐增加，但在5月中旬至6月中旬雨水较少，78月事雨水集中的阶段，即进入潮期。8月份以后，雨水逐月减少。降水强度以78月份最大，各月变化基本上与降水量趋势一致。冬季最小，春秋两季适中。全年降雨日数平均为93天，其四季分配与降水量变化基本一致，以夏季降水日数最多，占全年降水日数的34；冬季最少，占162；春季占26；秋季占238。2、河流水系西华境内分布有多条大小河流，且各条河道均属于淮河流域的沙、颖河水系。流域面积在100平方公里以上的骨干河道有15条，即沙河、颖河、贾鲁河、柳塔河、清流河、清异河、新运河、鸡爪河、鲤鱼沟、重建沟、双狼沟、洼冲沟又称大沙河、清水沟、黄水沟，统称七沟七河。在上述河道中，流域面积在5000平方公里以上的大型河流有3条，即沙河、颖河、贾鲁河。西华南靠沙河，颖河和贾鲁河贯穿其中。各条河道均属于淮河流域的沙、颖河水系。这些河流为该区雨水和工业、农业、生活废水进入淮河的通道。西华属于典型农业地区，其农村地区目前尚无有效的污水管网。其工业、农业和生活废水，尤其是农业生产和生活废水，基本未经处理直接排入河道。西华属典型河网地区，河道和淮河直接或间接相连，污水停留时间短，自净能力差，氮，磷等污染很快经河网进入淮河，对淮河水质造成影响。22西夏亭镇及黄桥乡概况以前期的西华县主要水系面源污染特征调查结果为依据，结合研究区实际，选取西夏亭镇及黄桥乡作为农业非点源污染发生潜力指数系统的识别区域。西夏亭镇位于西华镇西中部偏南，镇址在后朱村，距县城18公里，东临黄土桥乡和泛区农场，西连逍遥镇，南与商水县的张明乡隔河相望，北依颖河与艾岗乡为界，东与埠口乡接壤，总面积37平方公里。辖27个村民委员会。该镇地第二章研究区概况处沙、颖河夹河套地带，地势平坦，土质肥沃，属泛区、境内有重建沟、迎风渠可供灌溉。在总土地中，两合土占254，淤土占733，二潮黄土占12。全镇以农业、林果业为主，兼营工副业。农作物盛产小麦、棉花、特产苹果，为西华县产棉及林果业基地之一。黄土桥乡位于西华县城西中部，乡址在黄土桥村，距县城75公里。东与城关镇、迟营乡相邻，西与西夏亭镇、黄泛区农场接壤，南临叶埠口乡，北靠艾岗乡，红花集镇，总面积40平方公里。辖18个村民委员会。该乡地处黄泛区中心，系黄河冲积平原。土质60以上为沙土，其余为两合土和少量的淤土。肥力一般。境内水资源较好，颖河流经西部，东风运河横贯北部，黄土桥村西颖河上建有16孔拦河大闸及公路交通桥一座。全乡以农业、林果业、畜牧业为主，苹果种植面积、产量、贮存量、商品率均居全县首位，为西华县林果基地之一。基于APPI指数系统的旱作农田面源污染发生潜力和优先控制区识别一以沙颍河流域为例第三章APPI模型的计算及应用31APPI模型机理本文选择沙颍河流域典型农业区域，辨识土壤、水体中主要污染物类型、浓度及时空分布特征，综合考虑典型区域人口密度、土地利用方式、地表径流、土壤类型、化肥农药施用情况等情况，应用农业面源污染发生潜力评价指数APPI模型，筛选出研究区主要污染因子，识别出农业面源污染优先控制区。提出污染评价与控制建议。基于地理信息系统平台的农业非点源污染发生潜力指数评价方法模型的理论基础为APPIIRII骄LSPIIWF2CUIIWF3PALIIWF4RIRUNOFFINDEX径流指数，评价区域内的地表径流产生能力；主要考虑流域降雨、土壤类型、土地利用方式及管理水平等因子；SPISEDIMENTPRODUCTIONINDEX泥沙产生指数，评价区域的泥沙流失潜力；主要考虑降雨侵蚀、土壤侵蚀、地形、植被覆盖和管理等因子CUICHEMICALUSEINDEX化肥使用指数，评价区域内化肥使用对非点源污染发生潜力的贡献；主要考虑土地利用方式及农田面积等因子；PALIPEOPLEANDANIMALLOADINGINDEX人畜排放指数，评价区域内人畜排泄物的发生潜力及其对水体的影响；主要考虑人口、家畜、家禽以及该区域的面积等因子I表示不同的区域WFWEIGHTINGFATORS表示不同指数的权重。32APPI模型实施方案基于GIS的农业非点源污染发生潜力指数评价方法研究实施流程如下图所示图3114第三章APPI模型的计算及应用现场调查、收集耕作方式、耕作面积、土壤类型、村镇人口、畜禽养殖、废水排放、肥料使用、降水等基础资料结合研究区实际，确定4个关键计算参数根据各指数污染负荷总量比例计算及专家专业判断确定各个指数权重收集研究区土地利用类型、土壤类型、行政村界、土地高程等基础图件资料矢量化地图，建立土地利用类型、土壤类型、村界及高程等4个矢量图层将研究区空间属性数据录入矢量图层将各个矢量图层进行切割，叠加运算计算RJ、SPI、PALL及CUI指数赋予4个指数权重，计算出APPI指数生成APPI指数等级图，为决策提供依据图31基于GIS的农业非点源污染发生潜力指数评价方法实施流程图FIG31IMPLEMENTATIONFLOWCHARTOFAPPI首先通过进行现场调查，了解研究区主要水系走向，收集耕作方式、耕作面积、土壤类型、村镇人口、畜禽养殖、废水排放、肥料使用及降水等基础农业资料及水文数据；收集研究区土地利用类型图、土壤类型图、行政村界图、土地高程图等基础图件资料，并利用MAPINFO软件对所收集到的图件资料进行矢量化，得到地利用类型图、土壤类型图、行政村界图、土地高程图等4个关键矢量图层；在此基础上，将前期调查和收集到的基础农业数据及水文数据录入到相关矢量图层中；利用MAPINFO软件进行切割及叠加运算，通过MAPBASIC软件编程运算得到RI、SPI、PALI及CUI等4个关键指数值，并采用美国PENNSYLVANIA水土资源保护局的方法进行标准化处理。根据研究区的地形地貌、土地利用、人口密度及畜禽养殖等特点，按照2个乡镇全年泥沙冲蚀、降水径流、农田流失和畜禽养殖所产生的氮、磷排放量占研究区全年氮、磷排放总量的比例，结合专家的专业判断，确定各指数的权重；将各个指数乘以相应的权重后相加得到各个行政村的APPI指数等级，为相关部门的决策提高依据及支持。基于APPI指数系统的旱作农田面源污染发生潜力和优先控制区识别一以沙颍河流域为例33空间数据库的建立331基础数据的收集本课题试图将此模型应用于西华县西夏亭镇和黄桥乡，辨识主要污染物及时空分布特征，筛选出主要污染因子，建立农业面源污染发生潜力评价指数模型，评估两镇各个行政村农业非点源污染负荷及其来源分布并初步确定优先控制区域，为研究区非点源污染控制提供决策依据。1由于非点源污染影响因素众多，这就需要通过多种途径收集进行危险性评价的基础数据，包括研究区域水系、地形、土壤类型和土地利用方式以及社会经济简况资料进行整理，收集水文气象、水文地质、污染源分布以及水质等数据，包括各个行政村人口，家禽、牛、猪等的规模养殖和散养，各种土地利用面积、作物种植类型，人均用水量，垃圾排放量，工业污染状况等社会经济资料。